失重33天丨航天员CP从你的全世界路过

北京商报 2016-10-17



导语

  今天,酒泉卫星发射中心,在长征二号F运载火箭托举下,航天员景海鹏、陈冬乘坐神舟十一号飞船顺利升空。按照计划,飞船入轨后2天内完成与天宫二号的自动交会对接,组合体在轨飞行30天,随后,神舟十一号撤离天宫二号,并于1天内返回至着陆场。总计33天的太空之旅已经开始,航天员CP将从你的全世界路过。


这次“上天”值得你炫耀


  先提升下高度:


  神舟十一号载人飞船把中国航天推到了一个新的历史最高点,这是中国迈出建设空间实验室的重要一步。


  如果神舟十号任务中对接的天宫一号仍然是以测试性质为主,那么神舟十一号任务可以说是驾轻就熟了。不论是神舟飞船与长征二号F遥11运载火箭的磨合,还是神舟飞船与天宫目标飞行器的对接,中国航天已经能够熟练掌握这些技术。


  从载人航天三步走计划来看:

第一步神七已经实现舱外行走

第二步神八无人对接成功

第三步神九手控对接也实现了


  这些技术沉淀已经开始转化,为中国建造空间实验室服务。


  想当初中国在上世纪90年代希望加入美俄主导的国际空间站计划,却被拒绝。其实想想也很简单,美俄拥有世界上最强的航天技术,那个时期的中国航天与美俄差距太大。而且国际空间站的建设中以美国主导,俄罗斯提供部分技术支持,比如空间站的头几个舱室由俄罗斯火箭发射,之后全部交给美国的航天飞机了,发射一次都是数亿美元投入,比联盟号火箭贵得多。其他配角国家和地区,如日本、加拿大、巴西、欧洲等提供个别舱室、机械臂之类的东西。


  既然被拒绝,那么就只能自己玩了,回到1992年的载人航天三步走战略上,二十多年过去了,中国也具备了建设空间站的技术。




  为了建设空间站,中国航天人还定了一个小目标——100吨实验室。


  神舟十一号任务是个转折点,天宫二号对航天员的支持能力已经提升到双人30天,接近美国宇航局天空实验室2号的状态。


  神舟十一号可以说,已经比俄罗斯联盟飞船先进。


  其实,从外观上看,神舟飞船与俄罗斯的联盟号飞船确实接近,而且也是由推进舱、返回舱和轨道舱组成,但内部空间比联盟号更大,航天员工作和生活环境更加舒适。不论是总长、直径、太阳能电池板打开翼展以及总质量,它都比俄罗斯联盟飞船要高一些,或者说大了一圈。


  从功能上看,神舟飞船的轨道舱也有太阳能电池板和推进系统,具备更强的轨道行动能力,可以在任务结束后继续在轨停留半年以上,扩大子任务范围。


  综上,在神舟十一号飞船时期,有了之前5艘无人飞船和5艘载人飞船的成功经验,中国航天已经转型进入空间站建设阶段,不再是单纯为了测试载人飞船和天宫目标飞行器而执行发射任务。


  据北京航空航天大学航天制导导航与控制系王新龙教授介绍,实现与天宫二号对接的难点集中在飞控技术上。


  首先是中长期定轨预报精度要求高。


  神舟十一号飞船将与天宫二号在距离地面393公里的太空轨道进行交会对接,而这也是未来中国空间站运行的轨道高度,这比之前的轨道提高了几十公里。


  第二是对接轨道远导控制策略设计难度比较大,三是短弧段快速测定轨要求高。四是返回前快速轨道的控制,五是伴星飞越观测及驻留轨道控制。


  王新龙教授表示,天宫二号和神舟十一号的交会对接原理,概括起来,就是要做到三个必须:必须找得到,必须对得准,必须飞得稳。


  在此次任务中,全新升级的“对接天眼”——光学成像敏感器(CRDS)的使用,与在天宫一号上运用的第一代产品相比,实现了诸多技术突破。


  除了技术挑战之外,北京飞控中心还面临很多潜在风险:航天员在轨飞行长达33天,要求地面飞控人员长时间值守,飞控软硬件系统高强度不间断工作,同时也是对各类应急情况下系统综合保障能力的严格考验。


神舟兄弟里“最牛的”神舟十一


  那么,神舟十一号这艘载人飞船相比此前的神舟飞船有何区别,它又将如何保障两位航天员的太空之旅呢?


  神舟飞船,通俗地讲,就是一个天地之间的运输工具,其中搭载的乘客,就是中国航天员。至于神舟十一号载人飞船,从它的名字可以看出来,它有十个哥哥,从大哥神舟一号,二哥神舟二号,依次类推,直到老十神舟十号,它们都完成了飞行任务并成功返回,而神舟十一号,就是第十一个。


  它们十一个弟兄,都出自航天科技集团五院研制人员之手,虽然弟兄数量多,但长相相近,结构功能也相近。不过,从一些细节变化来看,神舟十一号却是目前这些弟兄里飞得最久,也是技术“最牛”、最优化的。


  就这次任务来说,神舟十一号入轨后,将在2天内完成与天宫二号的自动交会对接,形成组合体,航天员进驻天宫二号,组合体在轨飞行30天。加上神舟十一号此前单独飞行的2天,它总共要飞行约33天。


  而之所以说神舟十一号,是目前神舟兄弟里“最牛的”,也并非没有原因。航天科技集团五院载人飞船系统中继终端副主任设计师严琪说,神舟十一号第一次配置了宽波束中继子系统,这一系统让它比起此前的神舟飞船,具有更高的安全性


  比如,当神舟十一号飞到地面系统测控不到的位置时,这个系统能让它更容易被中继卫星寻找到,再通过中继卫星和地面测控系统的连接,来保证它跟地面之间的联系。


  说到神舟飞船的安全性,就不得不提“制导、导航与控制分系统”,即GNC系统。


  航天科技集团五院载人飞船系统GNC分系统指挥罗谷清表示,这一系统是整个载人航天工程最关键、最复杂、规模最大、最难的系统之一,负责飞行器从发射、到太空互动、到返回地球的全部飞行控制任务,直接关系着航天员的生命安全和飞行任务的成败,更是我国未来空间站建设的必要技术之一。


  在这个系统里,包含着一项低调的技术——一项在神舟九号之前就一直存在、却从未使用过,也不希望用到的技术,那就是“手动控制系统”。


  根据航天科技集团五院专家的说法,手动控制系统是载人航天器区别于其他航天器的最重要标志之一,是航天员生命安全的最后保障,所以,手控系统的研制和自控系统是同时启动的。换句话说,神舟飞船从出生就是“手自一体”的。


  尽管手控系统至今没有应急使用过,但罗谷清所在的研制团队却深信,万一自动控制出现严重故障,手控系统一定能出色完成控制任务,将航天员安全送回地面。


  如今,我国已经具备自主研制的GNC系统,其中还有一些“中国独有”的设计。如把成熟卫星救命技术应用到飞船的手控中,使得飞船姿态失控时,航天员只需要操作几个按钮就可以建立正常姿态,保证飞船和航天员的安全,航天科技集团五院载人飞船系统GNC分系统测试指挥李志宇说,这是世界上最先进的联盟号飞船也不具备的功能。


  罗谷清说,在393公里高的轨道空间,空气非常稀薄,接近真空,而且近似于一个温度低至-269℃的超大黑腔,太阳、行星等分散其中。在这种环境下,飞船将受到太阳的辐射、地球大气的反照,还有可能受到许多游离在空间的高能粒子的影响。


  航天科技集团五院总体部的专家进一步表示,在这种环境下,一旦神舟十一号偏航飞行,很可能就会引起返回舱温度过低,导致设备结露,影响使用;也有可能引起推进舱贮箱和发动机温度升高,超过温度上限,致使设备无法正常工作。


  五院总体部的研制人员为此干了一件事,他们对神舟十一号的返回舱和推进舱进行了热控设计改进,来抵御太空炙烤和寒冻。


  航天人把这个热控分系统,比作飞船的多变“外衣”,天冷时,能保暖,太阳照射时,能防晒,同时还能够隔离灰尘、雾霾等对皮肤有害的因素,“十分好用”。在太空遨游的这33天,神舟十一号将始终穿着这身外衣。


“神11”和“天宫2”怎么约?


  简单说来,交会对接就是两个航天器“追尾”,并粘在一起。这可不是烂泥拍墙上,交会对接的难度是很大的。试想,如果要求两辆车在公路上高速行驶,后面的车在要求的距离段主动追尾,追上以后两辆车粘住一起走。估计国内外找不出几个愿意接活的老司机。


  为什么要进行空间交会对接?空间交会对接的意义十分重大。


  首先,由于运载能力有限,大型空间站不可能一次性发射完成,只能分模块多次发射,每次将新的模块对接到已有的机体上。


  其次,宇航员在空间站生活,需要定期补充物资;欲进行空间实验,也要运载试验设备等。这个过程可不像在地面送报纸,放在窗户上即可。飘在空间站外的货物其实是威胁空间站的太空垃圾。给空间站运载货物,必须对接好进行。


▲“进步”飞船与“和平”号发生碰撞


  空间交会对接技术很复杂,早期的对接过程经常发生故障,甚至出现事故。即使在1997年,技术成熟的俄罗斯仍然发生过一起严重的对接事故:“进步M3-4”飞船与“和平”号空间站相撞,造成了空间站“光谱”号舱内氧气泄漏,动力系统损坏,最终被迫关闭。


  航天器空间交会对接过程,必须由高级控制系统来完成,根据航天员及地面站的参与程度,可将控制方式划分为如下四种类型:


遥控操作:追踪航天器的控制不依靠航天员,全部由地面站通过遥测和遥控来实现,此时要求全球设站或者有中继卫星协助。


手动操作:在地面测控站的指导下,航天员在轨道上对追踪航天器的姿态和轨道进行观察和判断,然后动手操作。这是目前比较成熟的方法。


自动控制:不依靠航天员,由航天器上设备和地面站相结合实现交会与对接。该控制方法也要求全球设站或有中继卫星协助。


自主控制:不依靠航天员与地面站,完全由航天器上设备自主实现交会与对接。


  从本质上说,上述分类可归结为人工控制方式或自动控制方式。迄今为止,美国较多地应用人工控制方式,而苏联/俄罗斯则主要采用自动控制方式。


▲景海鹏进行手控交会对接训练


人工控制的优点:


提高交会与对接的成功率;

及时修正交会系统中的错误和排除故障;

节省燃料和时间。


自控交会与对接的优点:


不需要复杂的生命保障系统;

可靠性高;

无需考虑人员的安全和救生问题。


  交会与对接未来的发展趋势是人控和自控相结合,以提高交会与对接的灵活性、可靠性和成功率。


  总体上,我国与欧洲及日本的交会对接技术水平相当;但相比美俄,仍有比较大的差距。当前以及未来几十年内,美国与俄罗斯的航天技术仍将处于领先地位。欧洲与日本正在努力建立独立的载人航天体系,且在交会对接的某些关键技术方面达到世界水平。虽然欧洲与日本还没有独立地进行载人空间飞行,但欧、日在载人航天领域的研发力度与潜在实力不容低估。


航天员CP的“失重蜜月”


▲神舟十一号载人飞行任务航天员景海鹏(左)、陈冬


  神舟十一号飞行乘组是“一老一新”搭配,由航天员景海鹏和陈冬组成,景海鹏担任指令长。在任务中,他们互为备份,他们均具备飞船驾驶、组合体管理、手动交会对接,以及故障情况下的应急处置能力。


  生于1966年10月的景海鹏,在“五十而知天命”时展开他的第三次飞天。这也开创了中国人飞天的新纪录。2008年和2012年,他分别执行了神舟七号和神舟九号载人飞行任务,具有丰富的飞行经验。景海鹏现为中国人民解放军航天员大队特级航天员,少将军衔。


  今年38岁的陈冬2010年5月正式成为中国第二批航天员。现为中国人民解放军航天大队三级航天员,上校军衔。这是他的第一次太空之旅,也是中国第二批航天员中首个飞天的男航天员。


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航天员每天工作多久?


  任务中,航天员将实行每周6天、每天8小时的工作制,他们在天上与我们在地面实行同样的作息时间,也就是白天8小时工作,晚上要休息。


航天员吃些啥?


  此次任务进一步丰富了航天食品,包括主食、副食、即食、饮品、调味品和保健性食品等近百种,食谱周期达到5天,膳食结构也更加科学;同时还考虑了一些个性化需求,食品的感官接受性也增强了。这些食品可以满足航天员在轨飞行期间的能量摄入和营养需求。


身体不舒服怎么办?


  飞行期间将综合利用医疗询问、基本生理指标检查、尿常规检测、心肺功能检查等手段,定期对航天员实施健康状态评估;飞行期间,将更加注重舱内微生物控制,并配备了预防治疗药品和相关医疗器械,以此来确保航天员健康。此外,本次任务首次建立起天地远程医疗支持系统,通过天地协同会诊,来解决航天员在轨“看病”问题。


太空中怎么锻炼身体?


  此次任务配备了防护装备和锻炼设备,尽量降低失重对航天员带来的不利影响。比如:航天员可以使用套带,来解决飞行初期出现的头晕、鼻塞等不适反应;通过使用拉力器和自行车功量计锻炼、工作时穿着企鹅服,对心肺功能下降、对肌肉萎缩和骨丢失等进行综合防护。


航天员怎么缓解压力?


  针对本次飞行任务时间长的特点,加大心理支持力度。在专业心理医生的支持、亲情交流和航天员团队支持等基础上,进一步完善了技术支持手段。比如:研制了基于虚拟现实技术的心理舒缓系统,升级了天地信息交流系统,方便航天员与地面双向沟通、可以传递邮件,可以与亲朋好友进行音频、视频交流,以此来缓解航天员的压力,保证航天员的心理健康。


“天上的实验”有哪些?


  航天员进驻天宫二号后,将开展多项在轨试验,凸显了人在载人航天活动中的地位、作用和价值。比如,飞行中航天员将在轨接受医学超声检查,地面可以实时检测航天员心肺功能,这在中国航天飞行中是第一次;他们在轨将参与多项科学试验,比如更换空间材料制备样品,进行太空植物栽培试验等;还有就是在轨进行典型的维修操作,验证人机协同的操作技术。


科普活动同样精彩


  神舟十一号与天宫二号组合体飞行期间,开展的科普活动也很精彩。比如随神舟十一号飞船进入太空的,有香港中学生太空科技设计大赛的3个获奖项目,航天员将在轨完成这些实验,这些实验将帮助中小学生掌握和了解在微重力环境下事物的状态变化。此外,飞行任务期间,还将开展多项展示性的活动,比如“太空日记”、“家书载梦”、“挑战不可能”等,这些活动都会引起大众的广泛关注和兴趣。


北京商报综合报道。


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